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超声检测仪在基桩成孔检测工作原理及应用
发布时间:2021-01-04
摘要 本文较为全面地叙述了超声波成孔检测仪的工作原理及其在大直径钻孔灌注桩中的应用情况。文中列举了大量的工程实例,指出了成孔过程中经常出现的各种质量问题,从中取得许多宝贵的实际经验,这对加深认识大直径钻孔灌注桩和全面控制施工质量大有帮助,应加大基桩成孔监测的力度。
 
1.前言
 
随着公路桥梁及高层建筑大规模的兴建, 大直径钻孔灌注桩以其承载力高、施工低噪声、低振动以及工程造价低等特点已得到广泛采用。但由于成桩质量问题引起基础的不均匀沉降而造成工程事故时有发生。为了保证大直径钻孔灌注桩成桩质量,笔者认为应加大重视成孔质量,对试桩和开工前期的工程桩进行成孔检测。日本 KAIJO 公司生产的 KE400 超声波侧壁测定仪,特制的四方向探头一次下孔连续测量孔壁的四个方向,可以提供影响钻孔质量包括孔径、孔深、垂直度及孔壁状况(光滑度、塌陷度)等几乎所有参数。通过大量工程应用取得了很好的效果。同时也发现大直径钻孔灌注桩成孔过程中存在很多问题,应该引起有关部门的高度重视。
 
2.方法原理
 
基本原理就是利用超声波反射技术,对成孔质量进行综合检测。将超声波探头沿充满泥浆的钻孔中心以一定速率下放,在连续下放过程中,发射探头垂直孔壁发射超声波脉冲,接收探头接收孔壁反射信息。当孔壁坚实牢固(或缩径)时, 超声波传播双程旅行时间短、反射强度大;当孔壁疏松、塌孔(或扩径)时, 超声波传播双程旅行时间长、反射强度小甚至接收不到反射信号。这样,从孔口到孔底通过记录反射时间和反射强度,可计算出钻孔在不同深度处的孔径值及反映孔壁状况,进而还计算出孔深、垂直度等参数。
 
现场实测时, 超声波探头的下放与提升由绞车自动控制完成, 反射信号从接收探头传至地面的记录仪,通过计算打印成图,如图 1 所示。
 
3.工程实例
 
下面举出比较典型的工程实例,结合实测曲线说明大直径钻孔灌注桩经常出现的一些问题,体会超声波技术在成孔质量检测中的优越性。由于实测记录较长,限于篇幅,如下的例图都是截选出的典型段落,以说明主要问题。
 
A.合格孔

对于我国普遍采用的泥浆护壁钻孔灌注桩来说,钻孔成孔后合格与否主要应符合以下规定①孔深、孔径需满足设计要求,对桩径的 d≤1000mm 桩, 桩径的允许偏差为-0.1d 且≤50mm, 对桩径的 d>1000mm 桩, 桩径的允许偏差为 50mm;②钻孔垂直度允许偏差不超过 1%;③灌注混凝土之前,孔底沉渣厚度指标应符合以下规定:端承桩≤50mm;摩擦端承桩、端承摩擦桩≤100mm; 摩擦桩≤300mm[1]。
 
如图 2 实测记录为正循环回转法施工成孔,桩型 L18.8mΦ800mm。从图中可以看出,钻孔十分垂直,孔深孔径满足设计要求且孔壁状况良好,说明钻孔及泥浆护壁效果很理想,这是典型的合格孔。
 
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图1:超声波成孔检测结构示意图                                        图 2:合格孔实测记录
 
B.缩径和扩径
 
缩径和扩径在钻孔过程中是经常发生的,这与地层和泥浆调浆都有关系。一般来讲缩径对工程质量是很不利的,它直接影响到成孔以后的各步工序,特别是成孔后下放钢筋笼,如遇到较为严重的缩径,钢筋笼就不能下放到预定的位置,在拔起钢筋笼重新对钻孔进行处理时很可能使钢筋笼变形,造成损失且延误工期。
 
如图 3 为一浅部缩径孔实测记录,此孔设计孔径为 1m。由图可见,1.0 至 5.0m 孔段明显出现缩径,5.0m 以下孔径正常。
 
如图 4 为一中部扩径孔实测记录,此孔设计孔径为 1m。由图可见,15.5 至 19.5m 孔段明显出现扩径,最大孔径达 1.35m。


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图3:缩径孔实测记录                                            图4:扩径孔实测记录
 
C.钻孔倾斜
 
由于钻机安装时没有使转盘与钻架上吊轮在同一垂直线上或者正常钻进中没有根据不同方面地质条件采取相应控制进尺措施,钻孔常会发生倾斜,严重者对其单桩承载力有很大的不利影响。
 
如图 5 孔实测记录为正循环施工成孔。由图可见,钻孔上部较为垂直,从 14.5m 开始明显出现倾斜。
 
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图5:发生孔斜实测记录                          图6:泥浆比重过高实测记录
 
D.泥浆比重过高
 
在钻进过程中, 泥浆比重不宜过高。按照规范规定,在浇注混凝土之前,孔底 500mm 以内的泥浆比重应小于 1.25。大量工程实例表明泥浆比重过高会造成孔底沉淤和堵管等工程问题,更严重的是产生泥皮对成桩侧摩阻力的发挥有很大影响。
 
通过超声波检测仪可以反映出泥浆比重偏高和过高的情况,如图 6 实测记录。从图中可以看到,在孔壁附近有一些虚的振荡线出现,这在理论上称为“噪音”,它是超声波行进过程中在到达孔壁之前由泥浆颗粒反射形成的,这是一个典型的泥浆比重偏高的实例。假如泥浆比重过高,钻孔中的浮力偏大,待超声波探头下放过程中其重量与浮力相等时就无法继续测至孔底。在某工程抗拔桩孔的测试过程中,当探头测至 23.0m 时突然停止,反复多次仍然不能超过此深度,后来证明此孔泥浆比重过高,23.0m以下泥浆比重高达 1.40 或更高。
 
E.支盘桩孔检测
 
支盘桩是近几年发展起来的一种新 桩形,它是在仿生学构思的基础上而诞生的。它是由主桩、分支、承力盘及周围挤压密实的填加固结料组成,近似树根桩的根系及功能。具体做法是在成孔后用挤扩或刀削等方法根据设计要求在多个不同位置上做支或承力盘,形成如图 7 的模样。这样做可以在缩短桩长、减小桩径的情况下而能保证单桩承载力不降低或有所提高,达到减少工程造价、缩短工期的目的。

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图7:支盘桩实测记录                                            图8:地下连续墙槽孔实测记录
 
采用超声波成孔检测是对这种桩型的支和盘检测(尤其是承力盘的检测)的较好方法。图 8 为一支盘桩孔的实测记录,图中可清晰地看到三个盘的形状。
 
F.地下连续墙槽检测
 
对地下连续墙墙槽检测是超声波检测的另一个用途。如图 8 为地下连续墙孔实测记录。

4.几点体会
 
A.应用超声波技术对大直径钻孔灌注桩成孔质量进行检测可以一次下孔提供包括孔径、孔深、孔垂直度、孔底沉渣厚度及孔壁状况等影响钻孔质量的几乎所有参数,弥补了现有检测设备的不足。
 
B.通过成孔质量检测使我们对大直径钻孔灌注桩有了更全面的认识,有助于成桩方面的检测。其中基桩承载力问题是最受人们关注的。单桩竖向静力载荷试验和高应变动力试验只能提供承载力数值结果,对不符合设计要求的桩无法确定出原因,成孔检测能够准确地给出钻孔参数及施工情况,可以

作为成桩检测的重要补充,为检测部门和设计部门提供分析依据。
 
C.通过大量工程实践发现目前国内大直径钻孔灌注桩的成孔质量问题还是比较严重的,这与有关部门对成孔质量检测重视不够是分不开的。为确保工程质量,应该依靠先进的技术手段加大重视成孔质量检测,特别是对试桩和开工初期的工程桩更要予以重视,以便于科学合理地选取适合场地地层特点的施工工艺和施工机具。
 
5.结束语
 
大直径钻孔灌注桩的成孔质量检测多年来一直没有十分有效的手段,而成桩质量检测又无法代替成孔质量检测,更无法弥补由于成孔原因引起成桩质量问题所带来的损失。超声波法检测是目前世界上最为先进的成孔质量检测手段,这一技术的应用和推广对我国在大直径长深度高承载的基桩检测中具有十分重要的意义。

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